hegny

hegny

не пью
Пикабушник
Дата рождения: 23 мая
32К рейтинг 1472 подписчика 162 подписки 23 поста 21 в горячем
Награды:
более 1000 подписчиков5 лет на Пикабу
406

Научные железяки: разбираем анализатор энергии электронов

Если пройтись по научным станциям на синхротроне, то на многих из них можно заметить общие элементы: вакуумные камеры, трубы, фольга, куча проводов и разбросанные инструменты.


Но сейчас нас интересуют вон те блестящие полусферы. Кое-где они "голые", но во многих местах прикрыты фольгой, как и другие вакуумные камеры.

Научные железяки: разбираем анализатор энергии электронов Наука, Картинки, Длиннопост, Физика, Электроны, Анализатор

Небольшое отступление:

Фольга в вакуумной технике используется для теплоизоляции при прогреве вакуумных камер. Стальная камера обматывается снаружи нагревательным элементом, например проводом с высоким сопротивлением, и прогревается до 120С в течении нескольких часов (обычно от 12-ти часов до пары суток). Чтобы прогрев был более равномерный, снаружи "наматывается" несколько слоев обычной алюминиевой фольги. Она служит теплоизолятором и удерживает горячий воздух возле стенок камер. При нагреве с внутренней поверхности камеры испаряется адсорбированная вода. После охлаждения до комнатной температуры в камере можно получить вакуум на несколько порядков выше, чем без прогрева. Для вакуума до 10e-7 мбар можно и не греться, но всё, что лучше, требует прогрева. По-английски процесс называют bake-out - отжиг или прогрев.


Беглый взгляд на обмотанные фольгой камеры и трубы позволяет определить, какие части оборудования работают под высоким вакуумом. Теперь вы сможете легко находить высоковакуумное оборудование на фотографиях из любой лаборатории планеты.

Вернемся к загадочным "грибам".


Это - полусферический (кто бы мог подумать!) анализатор энергии электронов:

Научные железяки: разбираем анализатор энергии электронов Наука, Картинки, Длиннопост, Физика, Электроны, Анализатор

Тут надо зайти издалека.

Есть несколько методов исследования вещества, при которых из подопытного образца вылетают электроны разной энергии. Например, если на любой материал посветить, как в нашем случае, ультрафиолетовым или рентгеновским лучом, то из материала полетят "выбитые" излучением электроны (кстати, за объяснение этого эффекта, называемого "фотоэффект", Эйнштейн получил Нобелевскую премию, а не за теорию относительности). И не только они, там есть еще куча вторичных процессов, в результате которых вылетают электроны других энергий и даже вторичное излучение. Но сегодня нас интересуют только электроны.


Точно зная, какая часть электронов какой энергией обладает (т.е. зная энергетический спектр электронов), можно не просто определить химический состав, но и определить типы связей, отслеживать химические реакции и т.д. Например, по положению пиков на спектре можно определить тип соединения:

Научные железяки: разбираем анализатор энергии электронов Наука, Картинки, Длиннопост, Физика, Электроны, Анализатор

Такой способ изучения вещества называется фотоэлектронной спектроскопией. К названию еще добавляют тип излучения. В нашем случае это рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (X-Ray Photoelectron Spectroscopy - XPS). Результатом такого измерения является энергетический спект электронов. Примерно, как на картинке ниже (картинка из Интернета):

Научные железяки: разбираем анализатор энергии электронов Наука, Картинки, Длиннопост, Физика, Электроны, Анализатор

Тут по вертикали отложено количество отсчетов (количество электронов), а по горизонтали - их энергия связи (а если смотреть слева направо, то кинетическая энергия) в электрон-вольтах. Но в волшебный мир спектроскопии мы погрузимся в другой статье, а сейчас вернемся к железякам.


Как этот самый спектр получить? Нужно как-то умудриться померить энергию (ну или скорость) каждого электрона, который вылетает из образца. Тут применен широко распрострнненный подход: разницу в одной величине, которую сложно измерить (в нашем случае энергия) нужно однозначно преобразовать в разницу в другой величине, которую померять намного проще (в нашем случае - в координату, т.е в расстояние, которое мы померяем линейкой).


Если электрон (заряжен отрицательно) будет лететь между двумя заряженными пластинами, то он будет отклоняться в сторону положительно заряженной (этим занимается сила Лоренца). Причем, отклоняющая сила заряженных пластин не зависит от скорости электрона - она одинаково поворачивает и быстрые и медленные электроны. Это означает, что быстрые электроны полетят по бОльшей дуге, чем медленные. В качестве аналогии можно представить наклонную плоскость, по которой поперек склона катают шарики (рисунок а). Шарик с большей начальной скоростью прокатится дальше, чем медленный шарик. Измерив расстояния, на которое прокатился шарик, можно вычислить его начальную скорость. Только вместо шариков у нас электроны, а вместо гравитации - электрическое поле.

Научные железяки: разбираем анализатор энергии электронов Наука, Картинки, Длиннопост, Физика, Электроны, Анализатор

Чтобы электроны не ударялись в нижнюю пластину, ее можно согнуть дугой (рисунок б). Верхнюю пластину при этом тоже придется завернуть - нам нужно, чтобы электрическое поле между пластинами было равномерное, т.е. расстояние между ними везде должно быть одинаковым.

В самом низу мы поставим экран с люминофором, в который будут ударятся электроны и создавать светящиеся точки, прямо как в старых телевизорах. Медленные электроны будут давать точки в верхней части экрана. Чем быстрее электрон, тем ниже будет точка на экране. Линейкой можно не измерять - сейчас ставят камеру и подсчитывают яркость и положение пикселей на изображении.

После изгибания пластин у нас получился цилиндрический спектрометр.

Теперь представьте, что электроны летят не только в плоскости рисунка, но и под углом к нему. Чтобы они не задевали внутреннюю пластину, ее нужно закруглить и в перпендикулярном направлении, т.е. использовать не цилиндр, а полусферу. Кроме этого, мы не хотим, чтобы в наш спектрометр залетали какие попало электроны с разных направлений, поэтому перед входом мы поставим устройство со сложным названием "апертура". А по простому - дырка (да-да, я в курсе, что дырки в медицине, а в технике отверстия). А перед апертурой мы поставим настоящий объектив, почти как на фотоаппарате, только электростатический, а не стеклянный. Вот такая штука получилась в итоге (картинка из Википедии):

Научные железяки: разбираем анализатор энергии электронов Наука, Картинки, Длиннопост, Физика, Электроны, Анализатор

На картинке выше все электроны прилетают в одну точку, потому что у них одинаковая энергия. Задача объектива - собрать электроны, летящие под небольшим расходящимся углом и сфокусировать их в точку на экране. Напряжение на полусферах выбирается так, чтобы электроны с определенной кинетической энергией, называемой pass energy, прилетели ровно в середину экрана. Электроны с другой энергией попадут в другую область экрана, и, измерив отклонение с помощью камеры, можно будет вычислить их начальную энергию.


Теперь вооружимся гаечными ключами и шестигранниками и приступим к разборке:

Научные железяки: разбираем анализатор энергии электронов Наука, Картинки, Длиннопост, Физика, Электроны, Анализатор

Этот старичок очень даже заслуженный. На его счету открытие в 2001 году эффекта Рашбы на поверхности магнитных металлов (O. Krupin - Rashba effect at magnetic metal surfaces. Physical Review B), от которого даже журнал Nature был в шоке.


Анализатор уже отстыкован от вакуумной камеры и лежит на столе. В нижней части из выкуумной трубы торчит "хобот" электростатических линз. В верхней - видна задняя панель видеокамеры. В центре - оранжево-коричневая ручка, которая вращает диск с набором апертур. Еще видны три электрических разъема.


Кладём его "хоботом" вниз и откручиваем 36 болтов М10:

Научные железяки: разбираем анализатор энергии электронов Наука, Картинки, Длиннопост, Физика, Электроны, Анализатор

Это вовсе не та полусфера, на которую подается потенциал, а корпус вакуумной камеры. Спектрометр работает в высоком вакууме, иначе электроны быстро рассеются на молекулах газа и либо вообще не долетят до экрана, либо прилетят не в то его место, куда положено.


Вон тот торчащий вверх маленький фланец с окошком находится как раз напротив линз и апертуры. Через него можно посмотреть глазом на образец и прицелится для точной настройки держателя.


Снимаем крышку:

Научные железяки: разбираем анализатор энергии электронов Наука, Картинки, Длиннопост, Физика, Электроны, Анализатор

Медная выкуумная прокладка остается на крышке и тут её не видно.  Зато у нас тут снова какая-то кастрюля, а не полусфера.


Во всех наших рассуждениях выше мы использовали электрическое поле и ни разу не упомянули магнитное. А оно тоже входит в силу Лоренца и поворачивает летящие электроны. Причем, тем сильнее, чем быстрее электрон. В общем, оно нам сильно мешает в такой красивой конструкции спектрометра.


Так вот: эта кастрюля - магнитный экран. Она сделана из "мю-металла" - вида пермаллоя. Это магнитомягкий сплав никеля, железа и меди с очень большой магнитной проницаемостью (она обозначается греческой буквой мю - μ - отсюда и название). Кожух из такого материала значительно ослабляет внешние магнитные поля, и ничто неучтенное электроны не поворачивает.


Откручиваем красивые болтики из медь-бериллиевого сплава и снимаем магнитный экран:

Научные железяки: разбираем анализатор энергии электронов Наука, Картинки, Длиннопост, Физика, Электроны, Анализатор

И, внезапно, под ним еще одна кастрюля - магнитный экран. Да еще и на 36-ти мелких болтиках, а не на 12-ти, как предыдущая. Тут мои нервы не выдержали и я пошел пить кофе.


В правой части фотографии видна "крышка" магнитного экрана от первой "кастрюли". Она экранирует магнитное поле со стороны линз и создает почти полностью закрытый объем. Но магнитное поле Земли, ослабленное даже первым экраном в 10-20 раз, всё равно вносит значительные искажения в работу спектрометра. Его нужно ослабить еще во столько же раз. Для этого и установлен второй магнитный экран. Вообще, двойное магнитное экранирование - это стандартный подход во многих измерительных системах. Такое решение позволяет ослабить внешние поля в 100 и более раз - с 50 микротесла естественного поля Земли до примерно 0,5 мкТ. А если экран правильно отожжен и по нему никогда не стучали, то и до 0,1 мкТ. Тут еще нужно не забывать, что и без естественного поля вокруг спектрометра полно стальных деталей, электромоторов и кабелей.


Снимаем и второй магнитный экран:

Научные железяки: разбираем анализатор энергии электронов Наука, Картинки, Длиннопост, Физика, Электроны, Анализатор

Уже интересней. Эта блестящая алюминиевая деталь и есть внешняя полусфера. Точнее, полусфера выполнена на её внутренней стороне, а это мы видим наружную сторону, на которой сделаны проточки для уменьшения веса. В принципе, можно было и не протачивать, а оставить целый цилиндр. Также видны провода, идущие от разъемов и кое-какая механизация:

Научные железяки: разбираем анализатор энергии электронов Наука, Картинки, Длиннопост, Физика, Электроны, Анализатор

Откручиваем еще четыре болта, спрятанных в опорах, и отстыковываем спектрометр от корпуса и магнитной защиты. Вот он на столе:

Научные железяки: разбираем анализатор энергии электронов Наука, Картинки, Длиннопост, Физика, Электроны, Анализатор

Справа - колонна электростатических линз.

Научные железяки: разбираем анализатор энергии электронов Наука, Картинки, Длиннопост, Физика, Электроны, Анализатор

Хорошо видны изолирующие проставки между металлическими цилиндрами. Каждый цилиндр подключен проводом к блоку управления, который управляет потенциалом, изменяя параметры оптики.


Вот картинка, иллюстрирующая принцип работы электростатической линзы:

Научные железяки: разбираем анализатор энергии электронов Наука, Картинки, Длиннопост, Физика, Электроны, Анализатор

Это просто металлические трубки с разным потенциалом. В зазорах между трубками линии электрического поля искривляются к оси, и электрон (или любая другая заряженная частица) отклоняется. Изменяя потенциал на каждой трубке можно изменять параметры оптики. Тут важно запомнить, что линзы - это не сами трубки, а промежутки между ними. В нашем случае у нас шесть зазоров - оптика несколько более сложная, чам на картинке.


На самом деле система линз отвечает не только за фокусировку/увеличение, но и за изменение скорости электронов.


Когда выше мы рассматривали принцип работы анализатора, то указали, что центральная траектория соответствует электронам определенной энергии (называемой pass energy). Для того, чтобы получить спектр с высоким разрешением, эта центральная энергия выбирается небольшой и составляет, обычно, от 10 до 50 электрон-вольт. Это означает, что электроны, которые летят быстрее или медленнее, просто не попадут на люминофор, так как ударятся во внешнюю или во внутреннюю полусферу соответственно. До люминофора долетают только электроны, чья энергия отличается от энергии центральной траектории не больше, чем на 10%.


А теперь представим, что мы хотим снять с высоким разрешением спектр энергии электронов от 150 до 1000 эВ. Мы можем выставить нашу центральную энергию на 50эВ и не изменять её. А с помощью линз замедлять все электроны на 100 эВ. Таким образом у нас по центральной траектории полетят те электроны, чья начальная энергия (до замедления) была 150 эВ, и мы получим кусочек спектра для энергий от 145 до 155 эВ (начальная энергия ± 10% от pass energy ). Теперь можно замедлять на 110 эВ и снять спектр для энергий от 155 до 165 эВ. Таким образом  управляя торможением электронов можно просканировать весь диапазон интересующих нас энергий и соединить их в общий спектр. Всё это делается автоматически, пользователь только указывает интересующие его параметры спектра.


На самом деле электроны в системе линз не только замедляются, но и ускоряются. Фокусировка выполняется на бОльшей энергии, а торможение происходит уже перед входом в полусферы.

Ниже приведены графики кинетической энергии электронов вдоль их траектории внутри спектрометра для двух разных режимов работы оптики:

Научные железяки: разбираем анализатор энергии электронов Наука, Картинки, Длиннопост, Физика, Электроны, Анализатор

Мы видим, что на входе в первую линзу энергии электронов одинаковые. В самом конце пути они тоже одинаковые, однако координаты электрона вдоль всего пути и на экране будут разные для этих режимов:

Научные железяки: разбираем анализатор энергии электронов Наука, Картинки, Длиннопост, Физика, Электроны, Анализатор

Тут видно, насколько сильно могут меняться настройки оптики.


Вернемся к нашему спектрометру:

Научные железяки: разбираем анализатор энергии электронов Наука, Картинки, Длиннопост, Физика, Электроны, Анализатор

Слева в круглом окне немного виден люминофор, на котором и будут светиться точки. В центре находится диск, к которому прикреплена пластина с отверстиями разного размера. Её край виден выше и правее. Вращая диск той самой ручкой, которую мы видели снаружи, можно расположить напротив линз апертуру нужного размера. Левее к диску пружиной прижимается ролик, который фиксирует диск в определенном положении и не позволяет ему свободно вращаться.


Пришло время отстыковать внешнюю полусферу и заглянуть внутрь:

Научные железяки: разбираем анализатор энергии электронов Наука, Картинки, Длиннопост, Физика, Электроны, Анализатор

Слева - внутренняя полусфера, справа - внешняя. Как вы заметили, это не совсем-то и полусферы, а какие-то концентрические ступеньки. Но это не так уж и важно - при мелком шаге ступенек достаточно того, чтобы их огибающая была сферой. Поле на небольшом удалении будет равномерным, а изготовить такие ступеньки намного проще, чем вытачивать полусферу.


Поверхность выглядит почти черной - она покрыта углеродным напылением. Дело в том, что те электроны, которые не долетают до экрана, а врезаются в полусферы, выбивают из поверхности вторичные электроны.  А вот они уже вполне могут долететь и засветить экран в любых местах, испортив измерение. Для исправления ситуации на металлические поверхности наносят углеродное покрытие, которое снижает коэффициент вторичной электронной эмиссии.

Научные железяки: разбираем анализатор энергии электронов Наука, Картинки, Длиннопост, Физика, Электроны, Анализатор

Выше полусферы видна поворотная пластинка с набором щелей разной ширины (от 0,2 до 4 мм). Она дублирует точно такую же пластинку на обратной стороне и прикреплена к тому же поворотному диску. Ниже мы видим то место, в которое попадают электроны. И тут стоит очень хитрое устройство - микроканальная пластина:

Научные железяки: разбираем анализатор энергии электронов Наука, Картинки, Длиннопост, Физика, Электроны, Анализатор

Дело в том, что один электрон вызывает очень слабое свечение люминофора, поэтому его надо как-то размножить. Вместо массива фотоэлектронных умножителей используется пластина с наклонными микроканалами, покрытыми материалом с высоким коэффициентом выхода вторичных электронов:

Научные железяки: разбираем анализатор энергии электронов Наука, Картинки, Длиннопост, Физика, Электроны, Анализатор

На верхнюю и нижнюю поверхность пластины нанесены электроды, к которым прикладывается напряжение для ускорения вторичных электронов. Одиночный электрон, пролетевший через анализатор, попадает в один из каналов и вызывает лавину вторичных электронов. А под пластиной уже стоит люминофорный экран, в котором эти вторичные электроны вызывают яркое свечение. Коэффициент умножения электронов (до десяти тысяч) регулируется напряжением на электродах. Разрешение получаемого изображения - порядка 50 точек на миллиметр.


Вот и всё устройство анализатора. Ну, кроме блоков управления и софта, конечно. Еще нужно упомянуть, что в объективе установлены отклоняющие пластины, с помощью которых можно немного сдвигать центральную траекторию. Но в этот раз линзы мы не разбирали, поэтому фото пластин не покажу.

Вот так апертура выглядит при взгляде сквозь линзы:

Научные железяки: разбираем анализатор энергии электронов Наука, Картинки, Длиннопост, Физика, Электроны, Анализатор

А вот так это выглядит в работе при взгляде на исследуемый образец окно вакуумной камеры:

Научные железяки: разбираем анализатор энергии электронов Наука, Картинки, Длиннопост, Физика, Электроны, Анализатор

Большой конус слева - это элемент первой линзы анализатора (тут анализатор другой модели, и форма линзы другая). В центре - круглый диск диаметром 8 мм. Это - исследуемый образец. На него светит луч рентгеновского излучения из синхротрона и выбивает электроны. Но камера, как и глаз, в рентгеновском диапазоне не видит, поэтому и яркого пятна на образце не видно. А вот если туда поместить кусочек, к примеру, иттрий-алюминиевого граната, легированного церием, (Ce:YAG - красивые желтые "стёклышки"), то на нем будет яркое светящееся пятно в том месте, куда попадает рентгеновский луч.


На сегодня всё, а нам еще собирать анализатор обратно и проверять его работу.

Если есть вопросы - смело задавайте в комментариях.

Показать полностью 24
890

Как устроена радуга. Часть 1: первичная радуга1

Вы никогда не задумывались, как устроена радуга? Ну, кроме мнемонических фраз про охотника и фазана, крота и фуфайки, и Жака и фонарь? Давайте разбираться.


Начнем мы с первичной радуги (как раз ее мы обычно и называем радугой), а с остальными эффектами разберемся в следующий раз.

Как устроена радуга. Часть 1: первичная радуга Наука, Радуга, Оптика, Картинки, Длиннопост

Яркая первичная радуга. Обратите внимание, что небо внутри радуги более светлое, чем снаружи.. Также видно тусклую вторичную радугу в верхних углах снимка.


Чтобы увидеть радугу, нужны солнце и дождь (лампочка и поливочный шланг тоже подойдут), но не все цветные полоски и круги на небе являются радугой. Например, галО можно увидеть намного чаще, чем радугу.


Легче всего радугу наблюдать утром или вечером, когда солнце не очень высоко над горизонтом. Первичная радуга появляется всегда в противоположной от солнца стороне и ее центр находится ниже линии горизонта. Он расположен точно в противоположной солнцу точке (так называемая точка солнечного противостояния или антисолнечная точка). Получается, что чем ниже солнце - тем выше радуга.


Красный цвет в первичной радуге всегда снаружи, а фиолетовый - внутри. Иногда, если капли дождя очень мелкие, можно наблюдать блеклые дополнительные радуги кислотно зеленого или фиолетового цвета с внутренней стороны основной радуги.

Как устроена радуга. Часть 1: первичная радуга Наука, Радуга, Оптика, Картинки, Длиннопост

Дополнительные радуги (фиолетовые полоски) расположены близко к внутреннему краю первичной радуги. В правом верхнем углу видно вторичную радугу.


Но на самом деле радуга - это вовсе не набор цветных колец. Небо в середине радуги более светлое, потому что капли дождя отражают свет и в эту область тоже, то есть эта область тоже является частью радуги. Поэтому первичная радуга - это световой диск. Бледный в середине и более яркий к краю.



- Свет в каплях воды


Радуга формируется сферическими каплями воды. Капли дождя никогда не бывают в форме той вытянутой слезы, которую нам с детства показывают. Маленькие капли имеют строго сферическую форму за счет силы поверхностного натяжения воды. Более крупные капли немного приплюснуты набегающим потоком воздуха (все-таки капли падают) и могут даже дрожать и колебаться, меня свою форму.
Как устроена радуга. Часть 1: первичная радуга Наука, Радуга, Оптика, Картинки, Длиннопост

Форма капли воды в атмосферных осадках в зависимости от диаметра капли. [A New Model for the Equilibrium Shape of Raindrops - Kenneth Beard]. Похожие исследования формы капель мы проводили для одной очень хитрой установки.


Рассмотрим поближе, что происходит с лучом света в капле воды. Если он попадет в каплю точно по центру, то часть его пройдет прямо насквозь, а часть отразится обратно ровно на 180 градусов. Если же луч немного сместиться от центра капли, то станет немного интересней:

Как устроена радуга. Часть 1: первичная радуга Наука, Радуга, Оптика, Картинки, Длиннопост

Луч солнца падает на каплю недалеко от ее центра (рисунок а), он немного преломляется, так как оптическая плотность воды выше, чем у воздуха, и проходит до противоположной стороны капли. Там часть света выходит наружу (еще раз немного преломившись), а остальной свет отражается. Он снова проходит каплю и снова часть его выходит наружу (эта часть света нас и интересует в этом описании, так как формирует первичную радугу), а часть снова отражается и идет дальше. Все эти остальные отражения нам сейчас не нужны.


Традиционно отклонение измеряется от направления падающих лучей. Для рисунка (а) угол отклонения составляет 173,7 градуса.


На рисунке (б) луч приходит немного дальше от центра капли. При этом угол отклонения уменьшился до 159 градусов. Тут уже заметны разные углы для синего и красного света. Это вызвано разным коэффициентом дифракции для разных длин световых волн - красный свет преломляется слабее, чем синий.


На рисунке (в) луч сместился еще дальше от центра, и угол отклонения составил 137,5 градуса. Этот особенный угол называется минимальным углом отклонения. Дальнейшее смещение луча к краю (рисунок г) снова увеличивает угол отклонения. Если мы будем измерять угол от центра радуги (нужно от 180 градусов отнять угол отклонения), то для красного света этот особенный угол будет раен 180 - 137,5 = 42,5 градусам. Это и есть угол радуги.


Если отрисовать все лучи (для верхней половины капли), то получится такая картина:

Как устроена радуга. Часть 1: первичная радуга Наука, Радуга, Оптика, Картинки, Длиннопост

Обратите внимание, при однократном отражении нет лучей, отклонившихся на угол меньше, чем 137,5 градуса. Так же около этого угла максимальная плотность лучей - они там собрались, поэтому на этом угле будет самая яркая часть радуги - ее внешний край. Все остальные лучи просто делают небо внутри радуги более светлым.


Первичная радуга сформирована лучами, отраженными всего один раз. А вот цвета радуги разделяются двойным преломлением света - при вхождении луча в каплю и при выходе. Красный свет преломляется слабее, чем синий, поэтому и минимальный угол отклонения у него меньше, чем у синего. Как следствие - красный находится на внешнем краю радуги.


Лучи, преломившиеся и вышедшие из капли без отражения, формируют свечение вокруг солнца, но для этого нужно смотреть прямо на него. Лучи, отразившиеся дважды - вторичную радугу, и т.д.


Вообще, в этом анализе не нужно относиться к термину световой луч очень серьезно. Чистая геометрическая оптика не может объяснить все наблюдаемые эффекты. Но для крупных капель диаметром около одного миллиметра использование лучей является хорошим приближением. Ниже будут попадаться картинки и расчеты, которые в том числе учитывают дифракцию света.



- Цвета радуги

Традиционно цвета радуги описываются как красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. На самом деле наш глаз различит в ней намного больше оттенков, но все эти цвета радуги не чистые.


На рисунке ниже показана интенсивность света разной длины волны (цвета) в зависимости от угла.

Как устроена радуга. Часть 1: первичная радуга Наука, Радуга, Оптика, Картинки, Длиннопост

Радуга представляет собой наложение цветовых дуг разных цветов. В результате мы наблюдаем смешанные цвета. Кажды цвет в радуге имеет примесь с бОльшей длиной волны. Это можно продемонстрировать и немного другим графиком:

Как устроена радуга. Часть 1: первичная радуга Наука, Радуга, Оптика, Картинки, Длиннопост
Интенсивность света разной длины волны в радуге в зависимости от угла. Красный цвет - самый дальний от центра радуги, а фиолетовый - самый ближний. Пики интенсивности находятся на углах, близких к минимальному углу отклонения для каждого цвета.


Угловой размер солнца (около 0,5 градуса) уширяет эти пики, поскольку лучи от солнца падают не строго параллельно. Лучи, откланяемые на бОльший угол, чем минимальный угол отклонения, направляют свет в центральную часть радуги. Интенсивность света любой длины волны снижается к центру рауги. Все цвета в радуге смешаны - в желтом пике есть вклад красного цвета, в зеленом - вклад желтого и красного и т.д. Таким образом, в радуге нет чистых цветов. Во внутренней части радуги все цвета смешаны примерно в равных пропорциях, что видно на графике выше, поэтому она не имеет определенного цвета, а просто выбглядит более светлой.


Как мы разобрались раньше, лучи не могут отклонится меньше, чем на минимальный угол отклонения. Поэтому снаружи радуги (дальше, чем 42,5 градуса от центра) небо более темное, чем внутри.


Классическая радуга образуется довольно большими каплями дождя, и в них дифракционные эффекты почти не проявляются. Для сравнения взглянем на цвета радуги, образованной каплями поменьше, диаметром 0,7 мм. Дуга каждого цвета имеет не только главную часть (самая правая яркая часть), но и несколько дополнительных дуг меньшей интенсивности.

Как устроена радуга. Часть 1: первичная радуга Наука, Радуга, Оптика, Картинки, Длиннопост

Пурпурные, розовые и зеленые полосы дополнительных радуг (нижняя часть рисунка) появляются в результате смешения дополнительных цветовых колец. Например, первая фиолетавая дуга (40,6 градуса) получилась в результате наложения главного синего кольца и дополнительных красного и желтого колец. Вторая фиолетовая дуга (40 градусов) получается смешением главного фиолетового кольца и вторыми дополнительными кольцами красного цвета. Зеленые кольца очень тусклые и видны благодаря контрасту с розовым и пурпурным.

Просто для сравнения: цвета в таком типе галО, как околозенитная дуга (циркумзенитная дуга), намного более чистые:

Как устроена радуга. Часть 1: первичная радуга Наука, Радуга, Оптика, Картинки, Длиннопост


- Конус радуги


Лучи, образующие первичную радугу, формируют конус:

Как устроена радуга. Часть 1: первичная радуга Наука, Радуга, Оптика, Картинки, Длиннопост

Его вершина находится в глазу наблюдателя, а ось параллельна лучам солнца и направлена в антисолнечную точку. Миллионы капель, находящиеся рядом с поверхностью этого конуса, отражают свет в глаз наблюдателя и формируют изображение цветной дуги. Капли вовсе не обязательно должны находится радом, они могут быть на расстоянии несколько метров или даже километров друг от друга. Расстояние не имеет значения, радуга будет выглядеть точно так же.


Радуга - это набор световых лучей определенного направления, она не существует как объект и не находится в какой-то определенной части пространства. Как мы уже разобрались выше, капли внутри конуса делают центральную часть радуги более светлой. Капли за пределами конуса не направляют лучи в первичную радугу. Капли, наблюдаемые под углом, большим чем 51 градус, вносят вклад во вторичную радугу. А капли между углом в 42 и 51 градус вообще не отражают солнечный свет в глаз наблюдателя. Поэтому эта часть неба снаружи первичной и внутри вторичной радуги выглядит наиболее темной. Она называется тёмной полосой Александра, в честь древнегреческого философа Александра Афродитского, который первый ее описал.

Как устроена радуга. Часть 1: первичная радуга Наука, Радуга, Оптика, Картинки, Длиннопост

Тем не менее, капли, не находящиеся на поверхности конуса радуги могут находится на этой поверхности для какого-нибудь другого наблюдателя. У каждого наблюдателя свой собственный конус радуги, поэтому каждый видит свою собственную радугу. Это легче всего понять, наблюдая радугу из движущегося поезда или автомобиля. Она остается неподвижной для наблюдателя. Строго говоря, оба наших глаза тоже видят разные радуги. Этот эффект сильнее всего заметен при небольшом расстоянии до капель, например, при наблюдении за поливочным шлангом.



- Высота радуги


Во время восхода или заката центр радуги (антисолнечная точка) расположен точно на линии горизонта и мы можем наблюдать радугу размером в половину окружности. Чем выше солнце над горизонтом, тем ниже опускается центр радуги.
Как устроена радуга. Часть 1: первичная радуга Наука, Радуга, Оптика, Картинки, Длиннопост

Очевидно, что когда солнце поднимется почти на 42 градуса, только самая вершина радуги может быть видна над горизонтом. Поэтому летом радугу чаще всего можно наблюдать утром и вечером, когда солнце не очень высоко.

Как устроена радуга. Часть 1: первичная радуга Наука, Радуга, Оптика, Картинки, Длиннопост

Часть радуги иногда можно видеть даже ниже линии горизонта, если капли находятся на фоне поверхности. Радугу размером больше, чем половина окружности, можно наблюдать с самолета или в горах.

Как устроена радуга. Часть 1: первичная радуга Наука, Радуга, Оптика, Картинки, Длиннопост

- Размеры капель


Ширина и яркость радуги зависит от размера капель. Узкие радуги с яркими цветами формируются крупными каплями диаметром в несколько миллиметров. Капли меньшего размера формируют более широкую дугу с менее насыщенными цветами. Совсем мелкие капли дают туманную радугу и белую радугу.


Туманная радуга (fogbow):

Как устроена радуга. Часть 1: первичная радуга Наука, Радуга, Оптика, Картинки, Длиннопост

Белая радуга (cloudbow - "облачная радуга"):

Как устроена радуга. Часть 1: первичная радуга Наука, Радуга, Оптика, Картинки, Длиннопост

На фотографии выше - очень широкая полоса с бледными цветами. Внутри первичной радуги можно едва рассмотреть белые дополнительные радуги. Эта радуга образована маленькими каплями воды во влажном воздухе и облаками, а не каплями дождя. Эффект дифракции в маленьких каплях уширяет дугу и обесцвечивает полосы.


На рисунке ниже показаны расчитанные радуги для разного диаметра капель (в микрометрах).

Как устроена радуга. Часть 1: первичная радуга Наука, Радуга, Оптика, Картинки, Длиннопост

Чем больше капля, тем Уже радуга, и тем ближе к ней внутренние дополнительные дуги. Для капель больше 1 мм в диаметре эффект дифракции незначителен, и мы наблюдаем яркую насыщенную радугу и почти не видим дополнительных радуг.

В облаке или в тумане капли обычно имеют диаметр меньше 0,1 мм (100 микрометров). Радуги, формируемые каплями промежуточного размера (0,1-0,5 мм), часто наблюдаются в брызгах водопадов.


Эффект размера капель можно увидеть на снимках дождевальной установки:

Как устроена радуга. Часть 1: первичная радуга Наука, Радуга, Оптика, Картинки, Длиннопост

Ближе к главной струе капли имеют бОльший размер и дают узкую яркую радугу (верхний снимок). После того, как опрыскиватель отвернется, большие капли первыми падают на землю, а оставшиеся мелкие капли формируют более широкую и менее насыщенную радугу (нижний снимок).

Классическая геометрическая оптика не может объяснить эффект размера капель. Причина в волновой природа света.


В классическом представлении (левая часть рисунка ниже) каждый фрагмент радуги сформирован двумя лучами, которые прошли через каплю двумя разными путями (мы разбирались выше, что все углы, кроме минимального, могут получаться при разном смещении падующего луча). Их интенсивности просто складываются.

Как устроена радуга. Часть 1: первичная радуга Наука, Радуга, Оптика, Картинки, Длиннопост

Но волны ведут себя подругому. Коротко для тех, кто забыл школьную программу. В правой части рисунка световые волны схематически показаны, как чередующиеся положительные (яркий) и отрицательные (бледный) гребни вдоль классического луча. Тут критично то, что два пути имеют разную длину. Начиная "идти в ногу", лучи выходят из капли со смещением гребней - у них появляется разность фаз (или фазовый сдвиг). Интенсивности вышедших лучей нельзя просто сложить, так как волны интерферируют. Если волны двух лучей полностью в противофазе (положительный гребень одного луча совпадает с отрицательным гребнем второго), их амплитуды почти полностью взаимоуничтожаются. Если волны в фазе, то их интенсивности складываются.


Фазовый сдвиг и, как результат, интерференция сильно зависят от угла отклонения луча. В результате этот эффект дает максимальную интенсивность света на углах, близких к минимальному углу отклонения, а так же создает дополнительные радуги с внутренней стороны основной дуги.


На картинке ниже показаны расчитанные радуги для двух размеров капель (0.8мм и 0.4мм) и для разного света (голубой свет для верхнего рисунка и солнечный свет для нижнего).

Как устроена радуга. Часть 1: первичная радуга Наука, Радуга, Оптика, Картинки, Длиннопост
На рисунке видно, что чем меньше капля, тем более плавно меняется разность фаз для двух лучей в зависимости от угла (расстояние между максимумами интенсивности увеличивается). Дифракционная картина основной радуги уширяется, а дополнительные радуги отдаляются от нее. В этой симуляции все капли для каждой радуги были одного размера. В реальности капли, формирующие одну радугу, имеют разные размеры, а самые крупные даже приплюснуты. Из-за этого в природе мы не наблюдаем такого количества дополнительных радуг. Так как природная радуга представляет собой наложение монохроматических дуг, то, когда дуги уширяются за счет дифракции, они сильнее накладываются на дуги другого цвета. Как результат - цвета после смешения становятся менее насыщенными и блеклыми.

На самом деле световая волна является поперечной, а не продольной - электрическое поле осциллирует в направлении, перпендикулярном направлению луча. Направление вектора напряженности электрического поля определяет поляризацию света. Интенсивность отраженного или преломленного поверхностью света зависит от того, как вектор электрического поля был направлен относительно поверхности. В этом легко убедиться, наблюдая через поляризационные очки на отражения от воды или стекол. Если очки поворачивать, блики будут появляться и исчезать. Таким образом, радуга - поляризованный свет. В этом можно легко убедиться с помощью всё тех же поляризационных очков.


И напоследок - красная радуга:

Как устроена радуга. Часть 1: первичная радуга Наука, Радуга, Оптика, Картинки, Длиннопост

На рассвете или на закате, когда солнце низко над горизонтом (а на самом деле ниже горизонта), его лучи проделывают длинный путь в атмосфере. Синий и зеленый свет быстро рассеиваются, и остается только длинноволновый красный свет. Он-то и формирует такую необычную радугу. Кстати, на этом снимке видно, что внутренняя часть радуги тоже красная. Поскольку других цветов в ней нет, они не примешиваются к красному и не превращаются в тусклый белый свет.


Теперь-то вы знаете про радугу всё! Ну, или почти все :) В следующий раз разберемся со вторичной радугой и еще несколькими оптическими явлениями.


Использованные материалы: Les Cowley, Kenneth Beard, Wikipedia, фото радуг из интернета.

Показать полностью 20
1160

Строим ускоритель. Зачем оно надо?

Этот текст - небольшое введение к серии статей об ускорителях частиц. Тут я кратко опишу все "зачем, для чего и почему". Постараюсь вообще без формул.

Строим ускоритель. Зачем оно надо? Наука, Физика, Ускоритель, Длиннопост, Картинки

На фото - рентгеновский лазер на свободных электронах E-XFEL. Здесь и далее во всех статьях все фото и картинки, кроме отдельно обозначенных - мои.


Технически, к ускорителям можно отнести и электронно-лучевые трубки, и рентгеновские трубки и т.п. Но поговорим мы о полноценных ускорителях.


С помощью электромагнитного поля ускорить можно все, что имеет электрический заряд: электроны и протоны (и их античастицы - позитроны и антипротоны), их комбанацию - ионы или голые ядра, а еще мюоны и т.д., но это уже экзотика. 


Базовые принципы для их ускорения совершенно одинаковые, но, при одинаковом электрическом заряде, протон в 1840 раз тяжелее электрона. Так как ускорение происходит только благодаря заряду, то электрон разгоняется намного легче. И поворачивает в магнитном поле тоже "резче". Именно из-за этого дизайн лептонных (электроны или позитроны) ускорителей значительно отличается от адронных (протононы/антипротоны/ионы/ядра).


Зачем их вообще ускорять? Ну, во-первых, их можно столкнуть друг с другом или с чем-нибудь еще и посмотреть, что получится. Такое делают в коллайдерах. Сумеречные гении исполюзуют их для подтверждения своих теорий о строении вселенной. И, хотя коллайдеры у всех на слуху, они занимают лишь малую долю среди ускорителей.

Строим ускоритель. Зачем оно надо? Наука, Физика, Ускоритель, Длиннопост, Картинки

В тоннеле коллайдера HERA-B на глубине 30 метров.


Еще ускорители используют в медицине: разгоняют протоны и направляют в человека. Протоны залетают вглубь тканей и там тормозятся. Причем, тормозятся на определенной глубине (зависит от начальной энергии протонов) почти не повреждая ткани, через которые они прошли. При торможении выделяется тепло и ионизирующее излучение и убивает клетки вокруг. Таким способом можно убить опухоль в глубине тканей ничего не разрезая.

Строим ускоритель. Зачем оно надо? Наука, Физика, Ускоритель, Длиннопост, Картинки

По горизонтали - глубина от поверхности кожи, по вертикали - количество поглощенной энергии. Протоны (красная линия) дают максимальную дозу в глубине тканей. Электроны (фиолетовые точки) почти не проникают в ткани. Рентген (синяя линия для энергии 4МэВ (мега-электрон-вольт) и зеленая для 20МэВ) дает большую дозу в большом объеме тканей, а не только в опухоли. Взято в Википедии


БОльшая же часть ускорителей используются в качестве источников излучения, как в науке так и в индустрии. Индустрии, как правило, интересно рентгеновское излучение для просвечивания всего на свете. Получается оно от торможения ускоренных электронов о препятствие-мишень, а затем направляется на исследуемый объект.

Строим ускоритель. Зачем оно надо? Наука, Физика, Ускоритель, Длиннопост, Картинки

Для просвечивания чего-нибудь более плотного, чем человек (например, этого Porsche), рентгеновской трубки недостаточно, нужен ускоритель. Но просвечивали мы там вовсе не Porsche.


В научных исследованиях ускорители используются для получения излучения разных длин волн для огромного количества методов спектроскопии, микроскопии и структурного анализа. Ими пользуются физики, химики, биологи и еще большое число специалистов в своих исследованиях. И требования к излучению у ученых намного выше, чем в индустрии. Нужно поярче, получше сфокусировать, нужна произвольная длина волны от глубокого инфракрасного излучения до жесткого рентгена, с нужной поляризацией (или без нее). А еще лучше, если излучение будет лазерным, а не просто светом (на первой фотографии - рентгеновский лазер длиной в 3,5 км в строительсте которого я участвовал, про него я еще напишу). А еще иногда нужны сами электроны, а не излучение.

Для таких исследований во многих странах построены центры синхротронного излучения. Сердцем такого центра является синхротрон: кольцо-накопитель, в котором по кругу (на самом деле там не совсем круг) летают ускоренные до скорости света электроны. Ладно, почти до скорости света - 99% и выше. На практике их скорость принимают равной скорости света и говорят не о скорости, а о энергии. В синхротронах энергия электронов обычно от 0,5 ГэВ до десятка ГэВ (гига-электрон-вольт).

Строим ускоритель. Зачем оно надо? Наука, Физика, Ускоритель, Длиннопост, Картинки

Схема здания с синхротроном BESSY II. Маленькое желтое кольцо - бустерный ускоритель, большое цветное - кольцо-накопитель. Взято в сети.

Строим ускоритель. Зачем оно надо? Наука, Физика, Ускоритель, Длиннопост, Картинки

Внутри тоннеля BESSY II. Подробно будет в отдельной статье


Вокруг кольца построены измерительные станции - к ним от кольца подается луч света. А на станции сидят лохматые ученые с кучей оборудования и используют этот луч для своих измерений. На одном синхротроне может быть до нескольких десятков станций (или линий, по английски beam-line).

Строим ускоритель. Зачем оно надо? Наука, Физика, Ускоритель, Длиннопост, Картинки

Тот же синхротрон с отмеченными измерительными станциями, объединенными в 16 измерительных линий. Картинка из сети.


Обычно ученые с этим ускорителем никак не связаны: они приезжают из своих институтов, меряют несколько дней и уезжают. На их место приезжают другие и т.д. Время измерений на каждой линии расписано на пол-года - год вперед. Для ускорителя ученые - пользователи. А ускоритель для пользователей - просто инструмент.

Строим ускоритель. Зачем оно надо? Наука, Физика, Ускоритель, Длиннопост, Картинки

Три измерительных станции на линейном рентгеновском лазере FLASH-II. Излучение приходит внутри вакуумных труб слева снизу.


Наука развивается и пользователи хотят более высокие разрешение (не только пространственное, но и временное, частотное, по энергии) и интенсивность. Иногда этого можно добиться модернизацией ускорителя, а зачастую надо проектировать и строить новый. Поскольку ускоритель круглосуточно работает на пользователей, то экспериментировать с его настройками/апгрейдами очень непросто (позже я напишу пару статей о таких экспериментах. с фотками, конечно). Для отработки некоторых решений приходится строить отдельные ускорители.


Про один из таких проектов и будут следующие статьи.

Показать полностью 8
71

Будни физика. Мухоморы и собачий клещ.

Как-то летом года три назад по пути на работу я увидел под березами шикарные мухоморы и решил сделать пару фотографий. На работу я пришел не только с фотографиями но и с самкой собачего клеща (Ixodes ricinus) на задней стороне бедра. Напиться крови она не успела, но с извлечением пришлось повозиться. Клеща я положил в чашку Петри и оставил до проявления у меня симптомов возможного заражения (тут их не особо спешат на анализ принимать).

Через пару недель я возился с калибровкой лазерного микроска и решил взглянуть на то, что меня укусило.


Там я увидел вот такую красоту жесть:

Будни физика. Мухоморы и собачий клещ. Наука, Биология, Длиннопост, Картинки

Фотографии с большим увеличением я не делал (этот снимок состоит из 12 фрагментов). Так эти фото и пылились на диске до вот этого поста: Пчела под электронным микроскопом , в коментариях к которому я пообещал запилить пост про клеща.


Чтобы разобраться не только в том, где тут ноги, но и откуда они растут, пришлось покапаться в литературе и прочитать несколько статей и книгу (ссылки в конце). Сразу признаюсь, я не биолог, поэтому добро пожаловать в коментарии с исправлением моих ошибок.


Сравним свой экземпляр паукообразного с общим видом в статье "Biology of Ticks" [1]:

Будни физика. Мухоморы и собачий клещ. Наука, Биология, Длиннопост, Картинки

Структурно клещ состоит из двух частей: головы-гнатосомы (C) с пальпами (P) и тела-идиосомы (B), к которому прикреплены ноги (L). У лечинки 6 ног, у нимфы и взрослого клеща - 8 ног. У нас явно взрослая особь (на самом деле это очевидно из того, что оно меня укусило). На теле расположен жесткий спинной щиток - скутум. У самцов он закрывает почти все тело, а у самок - только переднюю часть. Поэтому тело самок может сильно увеличиваться, когда они пьют кровь. Выпить они могут до 100 раз больше собственного веса. По скутуму видно, что у нас самка.


Зум на щиток:

Будни физика. Мухоморы и собачий клещ. Наука, Биология, Длиннопост, Картинки

Кроме ромбической структуры поверхности видны протоки дермальных желез.


Идем дальше. Тело:

Будни физика. Мухоморы и собачий клещ. Наука, Биология, Длиннопост, Картинки

Оно покрыто складками: эластичная растяжимая кутикула у голодного клеща образует складки. У напитавшегося - все это распрямится в огромный пузырь.

Видны волоски - хеты. Выполняют осязательную функцию.


На теле внимание привлекает круглое образование в левой части туловища:

Будни физика. Мухоморы и собачий клещ. Наука, Биология, Длиннопост, Картинки

Это - стигмальная пластинка (Spiracle) - дыхальце. Про ее особенности есть интересная статья [2], моделирующая газообмен. Так вот, лабиринтные отверстия-поры расположены таким образом, что очень сильно снижают выход водяного пара наружу. Т.е. при дыхании  теряется очень мало воды. Такой Gore-tex наоборот. Дыхальцев у клеща два, и оба расположены на теле снизу (а мы смотрим на него сверху, "со спины"). В нашем случае клеща немного перекосило и слева видно его "живот".


А вот SEM-фотографии (сканирующий (растровый) электронный микроскоп) головы из статьи [1] (вид сверху):

Будни физика. Мухоморы и собачий клещ. Наука, Биология, Длиннопост, Картинки

Это немного другой вид клеща, но для общего понимания пойдет.

P - пальпы (челюстные щупальца), О - отверстие пищевого канала (рот), SC - хелицеровая трубка, D - пальцы хелицер, H - гипостом (он на другой стороне, его лучше видно на следующем фото), DEN - зубцы гипостома


Вид снизу:

Будни физика. Мухоморы и собачий клещ. Наука, Биология, Длиннопост, Картинки
На четвертом сегменте (F) пальп  находится мнгого "усиков"-хеморецепторов. Сами пальпы (P) в рану не проникают, клещ упирается ими в края раны и раздвигает их.

Над колючей пластинкой (H, гипостом) находятся челюсти-хелицеры (на верхнем фото). Они срослись в хелицеровую трубку - стилофор (SC). На его краях находятся два очень подвижных острых пальца (D). Они разрезают кожу хозяина. Стилофор - это "футляр", в котором находятся щетинки-стилеты, которые прокалывают субстрат (в данном случае - меня).

Шипы гипостома направлены назад и удерживают его врутри раны. Кровь поступает по каналу между гипостомом и хелицерами. По нему же в рану поступают ферменты, разжижающие и переваривающие ткани. А вместе с ними и патогены, которые могут быть в клеще. В моем случае никаких симптомов пока что не появилось, так что повезло.


Вот такую жуть можно словить в траве, погнавшись за мухоморами.А фотографии мухоморов я не нашел, куда-то далеко запрятал, наверное.

Для ознакомления с жутким миром иксодовых клещей использована следующая литература:


1. Anderson, J. F., Magnarelli, L. A. Biology of Ticks. Infectious Disease Clinics of North America, 2008

2. Pugh, P. J. A., King, P. E., Fordy, M. R.  Spiracular transpiration in ticks: a passive diffusion barrier in three species of Ixodidae (Metastigmata: Acarina). Journal of Zoology, 1990

3. Балашов Ю.С. Иксодовые клещи - паразиты и переносчики инфекций. Наука, 1998

Показать полностью 7
143

Будни физика. Ведро жидкого азота.

Сегодня будем делать мороженое. Точнее, замороженное железо (если еще точнее для зануд, то сталь 1.4429).  В проекте, над которым мы работаем, будут использоваться СВЧ волноводы, собранные из нескольких элементов. Нам надо проверить, будет ли стык между ними герметичным при охлаждении или нам надо что-то мудрить с другим типом уплотнения.


На фото видно тестовую сборку. Детали специально сделаны только для этого теста, настоящие волноводы будут очень длинными. Справа налево: фланец с небольшой частью заглушенного волновода, тонкая медная прокладка, центральная часть волновода с охлаждающей рубашкой (внизу виден порт для охлаждающей жидкости, но мы не будем его использовать, хе-хе), снова тонкая медная прокладка, и слева еще один фланец, к которому с помощью сильфона подключен вакуумный пост. Все части стянуты болтами М8 с медными гайками. На правых фланцах видна надпись Leak, сделанная моим корявым почерком, - там была течь в прошлый раз, ее причину я покажу в конце поста. Справа внизу видна медная прокладка в упаковке. Такие же уже зажаты между фланцами, все болты затянуты в правильной последовательности и с нужным моментом. Два фланца почти целый час затягивал - сложно к гайкам добираться.

Будни физика. Ведро жидкого азота. Наука, Физика, Длиннопост, Картинки, Жидкий азот, Холод

Качаем вакуум (не сильно, нам главное течи проверить), обдуваем стыки гелием (тут прошу прощения, не сфотографировал, но как-нибудь еще покажу) и смотрим на течеискатель: 2,9е-10 мбар литр в секунду. Чуть выше нормы, но реакции на обдув гелием нету, значит все ОК. Если покачается пару часов - значения снизятся,  просто адсорбированный газ из поверхности испаряется.

Будни физика. Ведро жидкого азота. Наука, Физика, Длиннопост, Картинки, Жидкий азот, Холод

А мы пока пойдем и наберем себе бочку жидкого азота. Ну, не совсем бочку - сосуд Дьюара. Обычный термос, только на 100 литров и на колесах. Снаружи здания стоит цистерна с жидким азотом, а внутри на стене - кран и шланг. Опускаем шланг в дьюар, открываем кран и ждем, пока наполнится. Дело это очень шумное. Так как термос теплый, азот сразу же испаряется и со свистом вырывается наружу. Поскольку он холодный (это слабо сказано), то в воздухе сразу же конденсируется вода и получается такое вот облако.

Будни физика. Ведро жидкого азота. Наука, Физика, Длиннопост, Картинки, Жидкий азот, Холод
Вообще-то, на стене справа видно автоматизированную систему заправки. Там подключаются шланг подачи, шланг отбора, и облако по трубе отводится наружу. Когда бочка заполнится, подача азота автоматически прекращается, и включается сигнал,  что все готово. Только надо еще минут 15 ждать, пока все соединения нагреются и можно будет отстыковать дьюар.


Для таких нетерпеливых и не боящихся шума, как я, есть просто шланг с краном. Снимаем горловину с дьюара, шланг внутрь и потекло...


С полной бочкой едем обратно к эксперименту и устраиваем натурально колхоз. Беру большую алюминиевую выварку литров на 50 примерно и ставлю ее в картонную коробку. Вокруг выварки добавляю еще немного упаковочного материала. Это нужно, чтобы снаружи не наросло много льда: нет свободного потока воздуха, нет и конденсации. Все-таки температура будет почти 78 К (минус 195 по Цельсию).  Ну, снег есть конечно, но совсем немного. На выварку кладу наспех собранную из алюминиевого профиля раму и на нее вешаю нашу сборку.


На фото ниже виден масштаб бедствия. В самом низу фотографии - дьюар с жидким азотом. Слева - картонная коробка, в ней выварка. Виден белый изоляционный материал (как я писал, он ничего не изолирует, просто не дает воздуху свободно обдувать выварку). На выварке лежит алюминиевая рама. Чуть дальше стоит вакуумный пост, правее него внизу - течеискатель. Он подключен к выхлопу вакуумного поста (точнее, вместо форвакуумного насоса) и меряет содержание гелия в выхлопе. Еще правее стоит баллон с гелием и видно черный пистолет, с помощью которого я гелием обдуваю места уплотнений.

Будни физика. Ведро жидкого азота. Наука, Физика, Длиннопост, Картинки, Жидкий азот, Холод
Как видно, шланг от дьюара уже покрылся льдом, да и ведро наше тоже снегом обросло. Заглянем внутрь.


Тут у нас скандинавский ад. Ну, почти. На самом деле он в соседнем помещении, там в криостате мы охлаждаем до примерно 1,5 Кельвин (почти минус 272 по Цельсию), а тут всего 78 К.

Будни физика. Ведро жидкого азота. Наука, Физика, Длиннопост, Картинки, Жидкий азот, Холод
Вообще, жидкий азот прозрачный (и легкий), но тут он кипит, потому что тепло поступает через металлические соединения, и в нем сложно что-то рассмотреть. Угловая вакуумная труба сверху блестит из-за воды, т.е. там температура выше нуля (по Цельсию) и можно спокойной трогать рукой. А вот плоская металлическая поверхность внизу уже при температуре жидкого азота. Снега и льда на ней нету, так как азот из жидкости испаряется и создает подушку, воздух не может контактировать с этой поверхностью, и снегу/люду неоткуда взяться. Крепления (уголки) внизу тоже сухие, хоть и холодные. По снегу виден уровень, на который проникает воздух. Ниже - газообразный азот. Вообще, азота я наливал больше, как раз чтобы скрыть болты, но фотография только такая.


Пока наполнялась выварка, течеискатель записывал данные. На графике (красная линия), видны скачки. Они появились в момент, когда уровень азота почти достигал уровня прокладки. Первый (тройной) пик - уровень первой прокладки. В этот момент я прекращал подачу азота и тщательно измерял уровень натекания. Причем, сделал я это три раза, поэтому и пик тройной. А самый правый пик - это уровень второй прокладки. Течь появляется из-за неравномерного охлаждения - разные фланцы (да и болты тоже) по разному сжимаются (мы ведь помним про коэффициент теплового расширения). Когда вся сборка охлаждается, течи снова нету. Этот уровень в 3е-10 мбар л/с нас вполне устраивает. Эксперимент можно считать успешным.

Будни физика. Ведро жидкого азота. Наука, Физика, Длиннопост, Картинки, Жидкий азот, Холод

Достаем деталь наружу и оставляем нагреваться. А азот оставляем выкипать (на самом деле, последние литров 10 я в траву вылил из любопытства, но фото нету).

Будни физика. Ведро жидкого азота. Наука, Физика, Длиннопост, Картинки, Жидкий азот, Холод
Позже эту деталь я охлаждал еще в жидком гелии. Правда, не в ведре, а в криостате (при криостат есть в моем первом посте).

Были только небольшие течи в сверхтекучем гелии, а выше лямбда-точки все было хорошо.


А теперь, как и обещал, причина течи, которая была во время первого теста.

Фото медной прокладки через микроскоп (малое увеличение). В уплотнительный буртик медной прокладки впрессована металлическая стружка. Как раз поперек всего буртика от края до края (примерно 1,5 мм). Ее источник я так и не нашел. При сборке я тщательно очищал и обдувал поверхности фланцев и прокладку. В общем, для меня это до сих пор загадка.

Будни физика. Ведро жидкого азота. Наука, Физика, Длиннопост, Картинки, Жидкий азот, Холод
Потом по результатам еще отчеты писать пришлось, но этим я вас утомлять не буду.
Показать полностью 8
51

Будни физика. Центр управления полётами.

Сегодня заглянем в комнату управления синхротроном (электроны у нас по кольцу действительно летают, поэтому можно и ЦУПом назвать). Работают тут по сменам. Для большинства сменщиков это дополнительная работа, т.е. сверх основной работы есть еще несколько дежурств в месяц.


Комната управления (control room) - это не очень большое помещение с большим окном, выходящим в экспериментальный зал.

Будни физика. Центр управления полётами. Наука, Физика, Ускоритель, Длиннопост, Картинки
Напротив окна на стене висят большие мониторы с основной информацией (на панораме по центру), перед ними в ряд стоят столы с мониторами, с этих компьютеров все и управляется.


Слева виден еще один пульт управления. Он относится к другому синхротрону, про него будет отдельный рассказ. А мы посмотрим, что выводится на основные экраны.

Будни физика. Центр управления полётами. Наука, Физика, Ускоритель, Длиннопост, Картинки

Пойдем слева направо, не вдаваясь глубоко в науку. Что-то я поясню, другое просто упомяну. Более детально я разъясню в других частях, иначе здесь получится огромная статья.

Будни физика. Центр управления полётами. Наука, Физика, Ускоритель, Длиннопост, Картинки

Вверху по центру - спектр "дрожания" пучка в поперечной плоскости (горизонтально и вертикально)


Справа от него - чек-лист с основными параметрами


Ниже - статус вакуумных систем по секторам. Пока все зеленое, особо волноваться не о чем.


Еще ниже, большое оранжевое окно - схема расположения и статус затворов для каждой линии.

Если очень упрощенно, то линия (beam-line) - это место, где из синхротрона по трубе выводится излучение. В конце линии волосатые ученые устанавливают свои измерительные установки и что-то все время измеряют. На сама деле, линия - это сложный комплекс с кучей устройств и механизмов, начиная с ондулятора и монохроматора. На линию к ученым мы еще заглянем.

На нашей оранжевой схеме измерительные линии - это касательные, расходящиеся от основного кольца. Тут  видно, на какой линии что открыто (зеленым) или закрыто (красным).

В середине основного кольца видно кольцо бустера-предускорителя.


Окно правее - статус оптики и ондуляторов.


Смотрим на следующие экраны:

Будни физика. Центр управления полётами. Наука, Физика, Ускоритель, Длиннопост, Картинки

Вверху слева - данные по инжекции. Эффективность последней инжекции (97,5%) или средняя эффективность за последние 4 часа (97,9%). В режиме Top-Up (поддержание тока каждого сгустка) инжекция происходит каждые 160 секунд.


Чуть выше в маленьком окошке - ток пучка (248 мА) и его время жизни (7,6 ч). Эти данные повторяются почти на каждом мониторе в разных местах.


По центру - часы. Вещь обязательная: можно засидеться глядя на всю эту красоту и забыть пойти домой. Как-то раз в прошлом году я проработал 29 часов (правда, не в этой комнате).


Справа четыре цветных графика - это осциллограмма напряжения на ускоряющих резонаторах. Работают на частоте почти ровно 500 МГц.


Широкое окно ниже (Fill Pattern Monitor) - схема заполнения. На самом деле, по кольцу со скоростью света летает не один сгусток (мы называем его банч (bunch)), а чуть больше трёхсот друг за дружкой. Вот в этом окне видно, как они расположены: 150 штук, потом разрыв со сгустком посередине (он используется для синхронизации систем управления), потом еще 150 штук.  По вертикали - ток в мА. Расстояние между серединами соседних сгустков - две наносекунды, полный оборот за примерно 800 нс. Это больше миллиона оборотов в секунду!


Ниже левее - расписание смен. Указаны прошлая, текущая и две следующие. Чтобы можно было найти виновных и раздать заданий на день вперед.


Еще ниже - статистика, которую так любит начальство. Показан аптайм ускорителя. Чем ниже доступность, тем больше жалуются пользователи и сильнее ругается начальство.


Большое окно правее - продольный профиль (ток) сгустков. Внизу - фрагмент схемы заполнения, а вверху по центру - профиль центрального сгустка.


Смотрим еще правее:

Будни физика. Центр управления полётами. Наука, Физика, Ускоритель, Длиннопост, Картинки
Тут много цветных графиков и в них чёрт ногу сломит. В принципе, сюда можно навыводить графики любых параметров. Сейчас тут показаны графики тока пучка (слева) и его положение (справа). А еще куча данных по вакууму, температуре и т.д.


Ниже - осциллограмма тока бустера. Бустер мы посмотрим отдельно, но если коротко, то это предускоритель. Пучок сначала разгоняется в линейном ускорителе; потом попадает в кольцевой бустер, ускоряется еще сильнее; и уже из бустера попадает (инжектируется) в основное кольцо. Всё как у людей, даже в большом адронном коллайдере так (ну, почти. Про него тоже напишу)


А справа спектрограмма, из которой видно синхротронную частоту кольца (на самом деле она тут почему-то занижена в 2 раза).


Еще правее:
Будни физика. Центр управления полётами. Наука, Физика, Ускоритель, Длиннопост, Картинки
Вверху напрямую виден сигнал на управляющих магнитах.


А вот в самом низу (два синих окна) виден поперечный профиль пучка. Камера смотрит навстречу пучку в дипольном магните и видит свет, излучаемый электронами при повороте (синхротронное излучение). Тут выведены две камеры в разных местах ускорителя.


Еще большее количество информации доступно на компьютерах, стоящих на столах. Там же можно все включать-выключать и выводить любую информацию на большие мониторы на стене.


Работать здесь интересно, но совсем не зрелищно. Как-нибудь я покажу, что интересного можно вытворять с ускорителем.


На сегодня всё. Задавайте вопросы в комментах.

Показать полностью 5
62

Будни физика. Маленький криостат и большая пушка.

Сегодня будем доставать пушку из криостата. Тест пушки завершен уже месяц назад, и в криостате она просто хранилась, потому что мне было лень ее доставать (на самом деле просто не до нее было). Теперь же надо готовить дргие тесты и криостат надо освободить. Поэтому сегодня поработаем руками (и краном).


Первым делом осматриваемся. Маленький криостат (есть и большой, но про него не сегодня) стоит в "бункере" - сложенном из бетонных плит помещении, собранного прямо в середине цеха. В бункере есть еще интересные установки, но и про них тоже в другой раз.


Маленький криостат - это стальной термос примерно двухметровой высоты. Маленький он потому, что есть еще большой. Сверху в него загружаем то, что испытываем,  и накрываем крышкой (точнее, к крышке прикреплена рама, а уже к раме наши поделки, например пушка). Потом все это дело откачиваем и охлаждаем. Сильно охлаждаем. Обычно до 1,8 К. Это  -271,35 С. Но с градусами Цельсия работать нам неудобно, постоянно минусы, да и числа большие, проще в кельвинах. Но сейчас там все теплое и и внутри уже не вакуум, а 1050 мбар чистейшего гелия.

Будни физика. Маленький криостат и большая пушка. Наука, Физика, Пушка, Длиннопост

Над криостатом на цепях висит тяжелый толстый диск - радиационная защита. Собственно, весь бункер - это тоже радиационная защита. Только ради этого он и пострен. Еще тут видно много труб, проводов и шлангов - все очень нужное и полезное, без них никак.


Внизу слева виден вакуумный пост на колесах. Точнее, их там два, но второй не видно из-за первого. Вот с него и начнем. Хоть в криостате и атмосферное давление, но внутри нашей пушки сейчас вакуум. Не очень глубокий, но все же целых 6,5е-8 мбар (верхняя строчка на индикаторе). И вот тем блестящим металическим сильфоном вакуумный пост подключен к пушке и без устали качает уже пару месяцев.

Будни физика. Маленький криостат и большая пушка. Наука, Физика, Пушка, Длиннопост

А сегодня надо пушку заполнить, т.к. будем вскрывать и менять антенны (это мне предстоит делать через пару недель в чистой комнате). Просто отключить откачку или открыть кран - не вариант, вместе с газом внутрь попадет пыль. Даже если мы будем использовать очень чистый газ (а мы будем), он будет быстро двигаться внутри труб и увлекать с собой частицы пыли, которые есть на внутренних стенках (а они там есть, хоть всё и чистили в чистой комнате). Поэтому, единственный вариант - сделать так, чтобы он двигался медленно, т.е. открыть совсем немного. Точнее, для наших сечений ламинарный поток будет сохраняться при потоке газа меньше 2,5 г/мин (это для азота). Ну не вопрос, подключаем баллон с азотом (на первой фотке слева) к фильтру системы, выставляем на расходомере 0,4 грамма в минуту и поехали. Тут, конечно, легко сказать. На самом деле надо было еще прокачать линии подачи газа, вентили и т.д., но все это описывать никакого смысла нету. На фотографии уже 25 мбар в пушке.

Будни физика. Маленький криостат и большая пушка. Наука, Физика, Пушка, Длиннопост

А сколько напускать туда? Столько, чтобы при открытии пукши в нее пыли не насосало, а лучше, чтобы из нее немного дунуло. Ведь как известно, если не дунуть, то ничего не получится. В общем, немного выше атмосферного давления. Так что сначала меряем его: 1006 мбар. И напускаем 1025.

Будни физика. Маленький криостат и большая пушка. Наука, Физика, Пушка, Длиннопост

Отключаем шланги и кабели и лезем разбирать крышу бункера. Кроме того странного круглого блина над криостатом есть еще две бетонных плиты сложенные стопкой. Цепляем первую:

Будни физика. Маленький криостат и большая пушка. Наука, Физика, Пушка, Длиннопост
Убираем в сторону. Затем вторую:
Будни физика. Маленький криостат и большая пушка. Наука, Физика, Пушка, Длиннопост
Тоже убираем. И что же мы видим?
Будни физика. Маленький криостат и большая пушка. Наука, Физика, Пушка, Длиннопост
Стальной лист на подрамнике. А на нем на цепях тот самы блин снизу и висит. Тоже убираем (фоток нет, так как управлять краном и фоткать мне не очень удобно было). Вот теперь видно наш криостат.
Будни физика. Маленький криостат и большая пушка. Наука, Физика, Пушка, Длиннопост
Откручиваем крышку, цепляем краном и достаем вставку:
Будни физика. Маленький криостат и большая пушка. Наука, Физика, Пушка, Длиннопост
Тут мы видим Диму, нашего нового студента. Дима фоткает пушку. А вот нам ее не особо хорошо видно: она в самом низу возле красных пластиковых деталей (сделанных на 3D принтере, мы ж не совсем отсталые), прямо к ней вакуумная линия подключена.


Вот тут получше видно:

Будни физика. Маленький криостат и большая пушка. Наука, Физика, Пушка, Длиннопост

Тут она стоит вертикально, "стреляет" вниз. Еще вокруг куча датчиков. Но про пушку (и датчики) в дургой раз. Пушка электронная, кстати, для инжектора ускорителя (да, интрига была, знаю).


Убираем вставку криостата вместе с пушкой на место хранения и смотрим на одинокий пустой криостат. Пока смотрим, мне на голову капает масло с крана.

Будни физика. Маленький криостат и большая пушка. Наука, Физика, Пушка, Длиннопост
На комменты отвечу в меру сил, так как мою работу в офисе за меня никто не делал, пока я развлекался.
Показать полностью 11
Отличная работа, все прочитано!